剪切裂缝对连续梁桥承载能力的影响

谭 明 上海同丰工程咨询有限公司

1 基本概况

本文桥梁为一座五跨变截面预应力混凝土连续梁桥，桥梁全长277.6m，跨径组合为48.5m+3×60.0m+48.5m，桥面总宽20.0m，具体布置为：0.2m栏杆基座+2.3m人行道+15.0m车行道+2.3m人行道+0.2m栏杆基座。

桥梁上部主体结构为变截面预应力混凝土连续箱梁，箱体采用双箱单室截面，箱梁间在支点及跨中位置设横隔梁以加强横向联系。箱梁顶板宽为20.0m，单箱底板宽为5.0m，箱体外侧翼缘宽3.0m，箱体间横梁宽4.0m。跨中断面梁高2.0m，中墩支点断面梁高4.0m。

全桥箱梁采用三向预应力体系，纵向预应力束及箱梁顶板横向预应力束均采用碳素钢丝，腹板竖向预应力及墩顶横梁横向预应力筋均采用DL25冷拉Ⅳ级钢筋。

全桥支座采用盆式橡胶支座，其中2#桥墩处为固定支座。箱梁混凝土设计强度为450#（C43）。

桥梁修建于1980年，设计荷载等级为汽车-20级，挂车-100验算，人群荷载为3.5kN/m²。

2 结构性裂缝状态

桥梁第1跨、第5跨箱梁外侧腹板近桥台处共发现10条剪切裂缝，最大裂缝长度4.2m，最大裂缝宽度0.6mm，部分裂缝腹板内外表面对应位置均存在，裂缝已裂穿箱梁腹板。从裂缝分布位置来看，裂缝均分布于箱梁截面高度最低的边跨支点位置，其余桥墩支点处箱梁腹板均未出现斜裂缝。

通过对裂缝的日常监测发现，最大裂缝宽度未发生明显变化，但有新的裂缝产生，且一条裂缝已裂穿腹板，说明裂缝仍在持续发展中。

腹板剪切斜裂缝为典型的结构性裂缝，已不能满足规范规定的预应力混凝土构件不允许出现结构性裂缝的要求[1]，结构承载能力被削落。

3 荷载试验

为分析剪切裂缝对桥梁实际承载能力的影响，采用荷载试验是最有效的手段。通过对桥跨结构进行静荷载加载，测量试验荷载作用下桥梁主要结构控制截面应变（应力）和挠度等指标，能有效检验结构的强度和刚度的变化。

3.1 试验荷载效率系数

把原设计汽车-20级，挂车-100荷载作为设计荷载，采用midascivil桥梁计算软件建立空间模型进行计算分析，试验等效荷载需要采用6辆总重36t三轴载重货车。

静载试验效率系数在0.97～1.01之间，满足规范中相关要求对于鉴定性荷载试验[2]，效率系数应介于0.95～1.05。

表1 应变实测值、理论值及校验系数

表2 应变实测值、理论值和校验系数

表3 挠度实测值、理论值及校验系数

3.2 试验成果及分析

3.2.1 荷载效应校验系数

主要测点静力荷载试验结构校验系数是评定结构工作状况，确定桥梁承载能力的一个重要指标，一般要求结构校验系数不大于1.0，值越小，安全储备越大。

（1）试验荷载作用下主梁应变实测值及校验系数

在试验荷载作用下，最大正弯矩断面和最大负弯矩断面箱梁应变校验系数在0.5～0.7之间，应变校验系数均小于1，表明箱梁最大正弯矩和最大负弯矩断面的抗弯承载能力目前满足试验荷载的正常使用要求；边墩处主梁最大剪力断面应变校验系数在1.62～2.57之间，应变校验系数远大于1，说明边墩处抗剪承载能力不满足试验荷载的正常使用要求。

（2）试验荷载作用下主梁竖向挠度实测值及校验系数

在试验荷载作用下，箱梁底板挠度校验系数在0.49～0.52之间，挠度校验系数均小于1，表明箱梁目前满足试验荷载的正常使用要求。

（3）结构相对残余变形

试验荷载作用下，弯矩断面应变相对残余变形最大为1.5%，挠度相对残余变形最大为4.8%，均小于规范规定的相对残余变形容许值20%[3]，说明结构接近弹性工作状况；剪力断面中性轴附近应变花相对残余变形最大为125.0%，表明剪力断面已不具备良好弹性回复能力。

3.2.2 典型裂缝监测

（1）测试方法和测点布置

为测定箱梁腹板裂缝在试验荷载作用下的扩展情况，选取两条剪切裂缝进行监测。试验前对选取的每条裂缝进行标记，对每条裂缝尖端进行打磨并用酒精擦拭，确定裂缝的实际延伸点，然后在裂缝中部和尖端最低点布设2个应变测点，测试在试验荷载作用下测点应变随荷载的变化情况。

（2）测试结果及分析

表4 腹板裂缝应变实测值

由实测混凝土应变值及对应工况可得每条裂缝混凝土应变-弯矩关系曲线。东侧裂缝跨缝应变片数据已经溢出，故不再进行对比（见图1）。

图1 裂缝测点应变-弯矩关系曲线

随着荷载的逐级增加，裂缝尖端测点混凝土应变-弯矩关系曲线基本呈线性变化关系，未见明显突变，表明在荷载作用下腹板裂缝未延伸扩展。东侧裂缝跨缝应变变化无规律，且在第4级工况之后，应变急剧增大至数据溢出，说明该条裂缝宽度随着荷载等级的变化，缝宽一直在增大；西侧裂缝跨缝应变与荷载等级基本呈线性变化关系，表明在荷载作用下裂缝宽度未延伸扩展。

3.3 试验结论

（1）上部结构主梁最大正弯矩断面和最大负弯矩断面的实际抗弯承载能力要好于理论状况，相对残余应变满足规范要求，主梁抗弯承载能力未见明显变化，具备良好的弹性回复能力。

（2）上部结构边墩处主梁最大剪力断面抗剪能力的实际状况要差于理论状况，相对残余应变远超规范要求，主梁抗剪能力有较大的削弱，已不具备良好的弹性回复能力。

（3）在试验荷载作用下，梁端腹板剪切裂缝尖端应力与荷载呈线性变化，裂缝宽度最大处应力与荷载无明显的规律。

4 结束语

桥梁梁端出现结构性裂缝，会导致主梁抗剪能力大幅下降，但对其正截面抗弯承载能力并无较大影响，在后期维修加固中应针对性对出现损伤的部位进行加固；梁端剪切裂缝在荷载作用下没有规律可循，当荷载突破临界值，其承载能力会急速下降，易产生脆性破坏，桥梁管养过程中须对此类裂缝引起足够重视。